Projektschwerpunkte

Gasspeicherung

Reaktivgasspeicherung an Metallorganischen Gerüstverbindungen
© Foto Fraunhofer ICT Pfinztal

Reaktivgasspeicherung an Metallorganischen Gerüstverbindungen

MOF-Komposit mit verbesserter Wärmeleitfähigkeit
© Foto Fraunhofer UMSICHT Oberhausen

MOF-Komposit mit verbesserter Wärmeleitfähigkeit

Bestimmung der Methanspeicherkapazität des MOF-Komposits
© Foto Fraunhofer UMSICHT Oberhausen

Bestimmung der Methanspeicherkapazität des MOF-Komposits

Im MAVO-Projekt sollen entsprechend funktionalisierte MOF­‑Materialien entwickelt und hergestellt werden und ihre Anwendung als Speichermaterial für Reaktivgase demonstriert werden. Neben dieser Demonstration einer bislang wenig beachteten MOF-Anwendung soll aber vor allem für potenzielle Kunden die Vorgehensweise transparent gemacht werden, mit der maßgeschneiderte und anwendungsspezifische MOF‑Materialien aus einem Substanzpool heraus hergestellt werden können, was deutlich geringere Entwicklungszeiten und -kosten erwarten lässt.

Metall-organische Gerüstverbindungen bieten durch ihre großen spezifischen Porenvolumina und ihre großen inneren Oberflächen sehr gute Eigenschaften zur Gasadsorption, welche wiederum u.a. zur Gasspeicherung eingesetzt werden können. Hierbei kann es sich grundsätzlich um jedes beliebige Gas handeln, wobei die Speicherung von Reaktivgasen im Besonderen eine reizvolle Anwendungsperspektive bietet. So könnte der logistische, sicherheitstechnische und wirtschaftliche Aufwand bei der sicheren Lagerung und Handhabung von Reaktivgasen, beispielweise bei Einsätzen im chemischen Prozess, signifikant reduziert werden.

Auf dem Gebiet der Reaktivgasspeicherung wurden am Fraunhofer ICT spezielle Messapparaturen zur qualitativen und quantitativen Charakterisierung von MOF-Substanzen in Gegenwart von Reaktivgasen realisiert. MOF-Substanzen können damit bei Reaktivgas-Beaufschlagung im Hinblick auf ihre chemische Kompatibilität und Stabilität sowie ihr Sorptionsverhalten im Detail charakterisiert werden.

Für ausgewählte Reaktivgase, z.B. Schwefeldioxid SO2, wurden bereits vielversprechende MOF-Substanzen identifiziert, die eine quantitative Beladung erlauben. Darüber hinaus werden gegenwärtig Arbeiten zur postsynthetischen Modifikation von MOF-Substanzen durchgeführt, mit dem Ziel für ausgewählte Reaktivgase eine stärkere chemische Inertisierung und Erhöhung der Speicherkapazität zu erreichen.

Des Weiteren soll ein innovativer Kompositwerkstoff entwickelt werden, der eine hohe Wärmeleitfähigkeit, die guten Stofftransporteigenschaften von Schwammstrukturen und eine hohe Adsorptionskapazität des Adsorbens miteinander kombiniert. In Anlehnung an die Techniken zur Herstellung von Metallschäumen soll eine offenporige Schwammstruktur aus einem Gemisch eines Adsorptionsmittels und einer wärmeleitfähigen Komponente hergestellt werden.

Ziel des Teilprojekts Treibstoffspeicherung ist die Entwicklung eines MOF-Kompositmaterials mit optimierten Wärmetransporteigenschaften zur Speicherung von Methan.

Bereits seit langem werden eine Vielzahl heute existierender MOFs als herausragende Speichermaterialien für gasförmige Treibstoffe wie Methan oder Wasserstoff diskutiert. Ihre geringe Wärmeleitfähigkeit, einhergehend mit den entstehenden thermischen Effekten bei Be- und Entladevorgängen, limitieren jedoch bislang eine praktische Anwendung. Insbesondere im Hinblick auf die automobile Nutzung sind daher MOF-Materialien mit verbesserten Wärmetransporteigenschaften gefragt.

Im Rahmen der bisherigen Forschungsarbeiten des Teilprojekts Treibstoffspeicherung am Fraunhofer UMSICHT ist es gelungen, ein MOF-basiertes Kompositmaterial zu entwickeln, welches eine hohe Adsorptionskapazität sowie gute Wärmeleiteigenschaften miteinander vereint.

Für die Kompositherstellung wird ein bekanntes MOF mit hoher Methanspeicherkapazität genutzt. Dieses wird mittels eines ausgewählten Formgebungsverfahrens unter Zugabe einer hoch-wärmeleitenden Komponente sowie eines Bindemittels in einen stabilen Formkörper überführt.

Untersuchungen des Kompositmaterials zeigen, dass durch die Zugabe der wärmeleitenden Komponente eine deutliche Steigerung der effektiven Wärmeleitfähigkeit der Komposite erreicht wird. Ebenfalls ist durch Adsorptionsmessungen nachweisbar, dass weder Porenstruktur noch -Zugänglichkeit des verarbeiteten MOF durch den Formgebungsprozess negativ beeinflusst werden. Damit einhergehend kann auch eine gleichbleibend hohe Methanspeicherkapazität des eingesetzten MOF beobachtet werden.

Weiterhin sind Makroporen bzw. interpartikuläre Zwischenräume in dem Komposit von großer Bedeutung. Diese beeinflussen den Gasfluss durch das Material und sind damit elementar für einen guten und schnellen Stofftransport. Auch hier weisen erste Untersuchungen auf eine vorteilhafte Ausprägung in dem Komposit hin.

Ziel weiterer Arbeiten ist es, das entwickelte Material hinsichtlich seiner mechanischen Stabilität und des Langzeitadsorptionsverhaltens zu untersuchen.